嚴寒地區變電站內混凝土道路抗凍防開裂措施研究

韓文慶 馬福雷 李風雷

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

隨著國家經濟建設的飛速發展，城鎮用電負荷快速增長，近年來在建變電站數量越來越多，在嚴寒地區變電站施工及運行檢查中，發現混凝土道路經常會產生一些裂縫及豎向的沉陷和漲起等病害，這些病害的產生會降低道路的使用年限和使用品質，嚴重時形成路面損壞，影響工程質量的整體效果。因此研究嚴寒地區變電站內混凝土路面抗凍防開裂技術，提高混凝土道路抗凍防開裂性能，成為一項重要的工作內容。

1 嚴寒地區變電站內混凝土路面常見病害

1.1 混凝土路面自身損壞

混凝土路面自身損壞可分為：斷裂類、接縫類和表層類等。斷裂類主要指縱、橫、斜向裂縫和交叉裂縫、斷裂板等；接縫類主要指裂縫的填縫料損壞、唧泥、錯臺和拱起等；表層類主要指坑洞、露骨、網裂和起皮、粗集料凍融裂紋、修補損壞等。

1.2 路基凍土凍脹和融沉導致混凝土路面損壞

季節性凍土地區冬季公路因路基凍脹使路面產生不均勻的隆起，嚴重的會導致路面開裂，影響路面使用質量。融沉多發生在低路段，使其上面的路基隨之發生不均勻沉降，從而使路面結構產生裂縫，影響其使用性能。

2 裂縫產生的主要原因

（1）混凝土的收縮?；炷恋氖湛s包括塑性收縮、溫度收縮、自生收縮和干燥收縮?；炷恋乃苄允湛s指混凝土澆灌后至凝結前產生的收縮，其主要原因也是混凝土表面水分的蒸發；混凝土的溫度收縮是由于混凝土水泥用量大、水化熱高、混凝土內部溫度升高、混凝土膨脹，混凝土的溫度降低時混凝土收縮產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土將開裂；混凝土自生收縮是由于水泥水化造成的，水泥越細、水泥用量越大、環境條件越干燥，混凝土的自生收縮越大；混凝土的干燥收縮是混凝土凝結后在干燥的空氣中，因混凝土由表及里持續失水而引起的混凝土收縮，由于混凝土表面收縮大，內部收縮小，致使混凝土表面受拉，內部受壓，當混凝土表面拉應力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土將產生裂縫；（2）混凝土的凍融。嚴寒地區的混凝土結構經常接觸水的部位，當氣溫下降至混凝土中水的冰點以下時，水就會結冰，體積增加約9%。當水充滿混凝土的孔隙時水結冰過程中由于體積的增大會對孔壁產生很大的壓力，使混凝土發生微小裂縫。一般夏秋浸水，冬天結冰，春天融化，反復循環，使冰凍的破壞作用不斷向深度發展。在反復凍融循環作用后，混凝土的損傷會不斷擴大，逐步積累。經過一定的凍融循環后，混凝土中的裂縫會相互貫通，其強度也逐漸降低，最后甚至完全喪失，使混凝土結構由表及里遭受破壞。（3）地基土的凍脹性。凍土分為兩類，即季節性凍土和多年性凍土。連續保持凍結3年以上的稱為多年凍土；在一年之內凍融交替一次的土層稱為季節性凍土。土在凍結之后體積增大的現象為凍脹；凍土融化后產生的沉陷稱為融陷。季節性凍土在凍融過程中將會對道路產生嚴重的危害。季節性凍土的融陷大小與凍脹大小成正比，故通常以凍脹來判別其融陷性。凍脹是指土凍結時由于所含水份凍結成冰產生體積膨脹，還由于可從下層吸引更多的水份到凍結區凍結成冰而產生體積膨脹，其影響因素有：土質、水份、濕度、冰度層厚度、凍結速度等。土中水分的遷移過程以“結合水遷移學說”最為流行，還有反復凍融引起的真空滲透機制，反復凍融導致真空的產生，由于真空抽吸作用把水抽吸到真空帶，接踵而來的凍結，又把這些吸入的水分凍結成冰。

3 路基與基層防凍措施。

要想解決季節性凍土的危害，根據其成因分析只要消除毛細水或將水分及時排出，自然而然也就解決了季節性凍土的危害問題。

3.1 改良路基。變電站填方區道路路基可選用用砂礫、石渣、碎石等透水性好的顆粒土，挖方區可采用相同的顆粒土進行置換。置換層可起到隔離層的作用，因砂礫墊層空隙大，形成的毛細管少，減少了地下水的上升；再者可以減少凍脹路基土的厚度，減輕凍土的膨脹程度，削弱凍脹土的抬拱力。

3.2 設置抗凍墊層。在路基與基層之間設置抗凍墊層。墊層應具有一定的強度和較好的水穩性，在冰凍地區尚需要具有較好的抗凍性?？箖鰤|層的設置可以改善路基冰凍穩定性，減少路基的總凍脹值。墊層材料以就地取材的原則，一般采用顆粒材料（砂、砂礫、爐渣等）。當采用砂和砂礫時，通過0.075mm篩孔的顆粒含量不宜大于5%；當采用爐渣時，小于2mm的顆粒含量不宜大于20%。墊層的最小厚度為15cm，其寬度應比基層每側至少寬出25cm，或與路基同寬。

3.3 提高基層質量?；鶎討杏凶罴训拿軐嵍?、足夠的強度和穩定性、防水性，并且表面平整?；鶎硬牧蠎鶕數貤l件和經濟性等因素選用貧混凝土、瀝青混合料、水泥穩定土、石灰穩定工業廢渣、級配碎石、級配礫石、填縫碎石、石灰穩定土等。基層的寬度應比混凝土面板每側寬出25～35cm（采用小型機具或軌模式攤鋪機施工）或50～60cm（采用滑模式攤鋪機施工），或與路基同。新建的混凝土路面和地坪基層的最小厚度一般為15cm。

3.4 保證抗凍厚度。在季節性冰凍地區，當路面結構總厚度小于表1規定的最小厚度時，應通過設置墊層補足。凍深小或填方路段，或基、墊層為隔溫性能良好的材料，可采用低值；凍深大或挖方及地下水位高的路段，或基、墊層為隔溫性能稍差的材料，應采用高值。

表1 水泥混凝土路面最小抗凍厚度推薦值

4 混凝土路面抗凍防開裂措施

4.1 材料選擇

4.1.1 水泥?？箖龌炷帘仨殦郊右龤鈩龤饣炷恋呐渲茟捎貌坏陀?2.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜采用礦渣硅酸鹽水泥和粉煤灰水泥。盡量選用彎拉強度較高、水化熱不太大、安定性合格的水泥。通常可以在水泥中摻用部分10%～20%的一級或二級粉煤灰，在降低水泥水化熱的同時增強水泥混凝土路面的抗凍、抗滲等耐久性能。可以使用熱水、加熱骨料等方式以保證水泥水化所需要的溫度。

4.1.2 粗集料。不同粗集料由于其硬度不同，溫縮系數也有所差異。一般而言，硬度越大，溫縮系數越小。常見巖石溫縮系數從大到小的順序為：砂巖、頁巖、玄武巖、花崗巖、石灰巖、石英巖?？紤]到工程造價，一般采用當地或附近材料，但是所用的粗集料必須保持潔凈，按不低于二類集料的要求嚴格控制含泥量、泥塊含量和石粉的含量。

4.1.3 細集料。采用中粗砂，細度模數不宜小于2.6，必須保持潔凈，按一類集料的要求嚴格控制含泥量、泥塊含量。如果采用機制砂，則要嚴格控制石粉含量，必要時須用水沖洗。

4.1.4 外加劑。為保證施工過程中水泥混凝土拌和物的工作性必須摻用高效減水劑。減水劑種類需要認真選擇，摻加后不能導致水泥混凝土泌水、離析，而且能夠增加水泥混凝土拌和物的保塑性，初凝時間一般控制在4～5h，否則保塑不好。同時，使用的減水劑不至于引起水泥混凝土太大的收縮。為增加嚴寒地區水泥混凝土的抗凍性，最好使用引氣劑，實踐表明，在水泥混凝土中引入5%～6%的含氣量，水泥混凝土的抗凍性會大幅度提高。青海省某公路部分水泥混凝土路面標段采用了引氣型高效減水劑，在降低用水量、增加保塑性、抗泌水離析、改善抗凍性等方面效果較好。

4.2 配合比設計。嚴寒地區水泥混凝土路面配合比設計方法與普通水泥混凝土設計方法基本相同，可以按體積法或密度法進行計算，但是應該注意嚴寒地區水泥混凝土拌和物需要摻加引氣劑，含氣量比較大，對混凝土視密度的影響比較顯著，在混凝土配合比計算和試調過程中應計入混凝土中含氣量的體積，消除含氣量對視密度的影響。由于體積法中直接考慮了含氣量所占的體積，因此按體積法計算比較簡潔。

4.2.1 水泥用量

水泥用量增加，水泥混凝土彎拉強度明顯提高。為減小拌和物塑性收縮量，降低水化熱，減小板體內外溫差，降低溫度應力，水泥用量不宜太大。但從水泥混凝土抗滲性、抗凍性等耐久性角度考慮，水泥用量又不能太小，對42.5級的水泥，單位水泥用量不得小于320kg；如果摻加粉煤灰，對42.5級水泥，單位水泥用量分別不得小于260kg。

4.2.2 粗集料級配

為適應嚴寒地區大溫差、大濕差的特點，盡量減小水泥混凝土的收縮，在滿足結構尺寸、拌和物泌水、離析等要求的前提下，盡量采用大粒徑、大用量的粗集料，但受水泥混凝土彎拉強度的限制，粗集料最大粒徑一般應控制在31.5mm，粗集料的用量滿足體積充填率不小于70%。另外，從減小水泥混凝土收縮的角度，在粗集料級配方面，較大粒徑的粗集料累計篩余量應接近規范規定的上限，較小粒徑的粗集料累計篩余量接近下限，通過粗集料形成骨架、細集料和砂漿填充孔隙，將水泥混凝土設計為骨架密實結構。

4.2.3 砂率

應保證水泥混凝土拌和物的和易性，但不能太大，以避免漿體太多，產生干縮性裂縫。在做坍落度試驗時，拔掉坍落度桶，邊上的混凝土表面不能看到粗骨料，否則需要加大砂率；在振搗時，表面砂漿也不能過厚，否則需要減小砂率。針對不同的路段、不同的原材料和水灰比及減水率，適宜的砂率應通過試驗確定。

4.2.4 水灰比

水灰比越小，拌和物的塑性收縮量則越低，研究表明，當水灰比降低0.01時，相應的收縮值降低5×10-6，收縮應力降低0.1MPa。因此，在滿足施工和易性的條件下，盡量選用較低的水灰比，減小塑性收縮量。同時，水灰比越小，彎拉強度越高。

4.2.5 含氣量

含氣量在嚴寒地區水泥混凝土配合比設計中也應加以考慮，這不是從強度角度，而是從抗凍角度要求的。引氣混凝土的含氣量比較大，對水泥混凝土視密度的影響比較顯著，在水泥混凝土配合比計算和試調過程中應計入水泥混凝土中含氣量的體積，消除含氣量對視密度的影響。拌和物含氣量一般控制在5%～ 6%之間。另外，摻加引氣劑還可以增加水泥混凝土拌和物的保塑性，降低收縮率比。試驗表明，引氣量在4%以上時，水泥混凝土28d收縮率比在98%左右；引氣量在5%以上時，28d收縮率比在95%；含氣量超過6%，28d收縮率比可達94%。這將非常有利于減小水泥混凝土的干縮，防止開裂，改善耐久性。

4.3 構造措施

4.3.1 接縫設置

混凝土板需設置各種類型的接縫，以減少伸縮變形和翹曲變形受到約束而產生的內應力，并滿足施工的需要。接縫設計應能：①控制收縮應力和翹曲應力所引起的裂縫出現的位置；②通過接縫提供足夠的荷載傳遞；③防止堅硬的雜物落入接縫縫隙內。水泥混凝土路面的接縫可分為縱縫、橫縫兩大類?？v縫又可分為縱向縮縫和縱向施工縫；橫縫又分為橫向縮縫、脹縫和橫向施工縫。接縫設計主要考慮設置位置、接縫構造和荷載傳遞以及縫隙的填封。

4.3.2 設置滑動層

水泥砼路面基層多采用半剛性基層，該基層由于自身收縮而產生的裂縫，很容易反射到面板上，并使面板開裂。建議降低基層的水泥摻量，在面層和基層之間加鋪lcm細砂滑動層或加鋪一層油毛氈隔離層以減小基層由于自身收縮對面板的影響。

4.3.3 面板添加聚丙烯纖維

聚丙烯纖維的加入可以顯著改善混凝土路面的抗凍性能，表現為聚丙烯纖維混凝土路面受凍后抗折強度和抗壓強度的損失明顯降低，而聚丙烯纖維的加入對混凝土路面干燥收縮的影響不大，聚丙烯纖維可以有效改善混凝土路用耐久性指標。

結束語

在嚴寒地區變電站內混凝土道路設計時應采取必要抗凍防開裂措施，除此之外在施工過程中還應采取有效的施工保障措施，只要措施得當不但可以提高混凝土道路的使用年限和使用品質，而且還可以提高站內混凝土道路全壽命周期經濟效益。

[1]包彥章.淺談水泥混凝土路面的病害分析與處治方法[J].科技創新導報,2010,22:39-40.

[2]王 旭.從道路凍害的形成看凍土地區凍害的防治[J].知識經濟,2009,11:119-120.

[3]王 棟,袁國清,李文忠.如何提高路面混凝土的抗凍性[J].森林工程,2004,22(2):58-59.

[4]張玉聲.季節性凍土的處理措施[J].北方交通,2009,5:50-51.

[5]陳志國,王哲人.季節性凍土地區公路路面抗凍設計方法[J].中國公路學報,2009,22(5):35-40.

[6]王彤,魯純,王先偉.聚丙烯纖維混凝土路面耐久性的試驗研究[J].玻璃纖維,2006,1:24-26.